EP3032275A1 - Optoelektronischer sensor und verfahren zum erfassen von objekten - Google Patents

Optoelektronischer sensor und verfahren zum erfassen von objekten Download PDF

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EP3032275A1
EP3032275A1 EP15190089.1A EP15190089A EP3032275A1 EP 3032275 A1 EP3032275 A1 EP 3032275A1 EP 15190089 A EP15190089 A EP 15190089A EP 3032275 A1 EP3032275 A1 EP 3032275A1
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EP
European Patent Office
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unit
light
deflection unit
deflection
sensor
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EP15190089.1A
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EP3032275B1 (de
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Herr Ralf Ulrich Nübling
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Sick AG
Original Assignee
Sick AG
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/87—Combinations of systems using electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic sensor and a method for detecting objects in a surveillance area according to the preamble of claims 1 and 10, respectively.
  • Scanners are used for a variety of monitoring and surveying tasks. For this purpose, a scanning or scanning beam scans an area and evaluates the remitted or reflected light. In order to gain information about object distances, contours or profiles, it is usually not only the presence of objects that is determined but also their distance.
  • Such distance-measuring laser scanners operate according to a light transit time principle in which the transit time is measured by the scanner in the scenery and back and distance data are calculated on the basis of the speed of light.
  • phase-based methods the light emitter modulates the scan beam and determines the phase between a reference and the received scan beam.
  • Pulse-based methods impose a significant pattern on the scan beam, such as a narrow pulse of only a few nanoseconds in duration, and determine the time of reception of that pattern.
  • the pulse averaging process a plurality of pulses or a pulse sequence are emitted and the received pulses are statistically evaluated.
  • Known laser scanners have a rotating mirror or a polygon wheel in order to periodically scan a monitoring plane or a segment of a two-dimensional monitoring plane.
  • many applications require the scanning of a three-dimensional space area and not just an area.
  • a conventional one A way out is to provide for a relative movement between laser scanner and object, such as in the DE 197 41 730 B4 , This requires considerable effort, and numerous applications are not suitable for such a controlled relative movement.
  • laser scanners are developed into a 3D scanner.
  • a step in this direction by multilevel scanning can be achieved by using raster mirror wheels with differently inclined facets as a deflection unit. This results in an angular offset of each belonging to a facet scan plane.
  • the scanning angle range of the respective scanning plane is limited to the angular component of the facet of typically less than 100 °.
  • the respective scan planes are distorted and unbalanced.
  • the EP 1 286 178 A2 monitors on a very similar principle in a front angular range of nearly 180 °, a main scanning plane and in a rear angle range over two tilted by a few degrees mirror two more scanning planes, which are limited to an angular range of 40 °.
  • an additional deflection unit usually in the form of a vibrating mirror, which ensures a deflection of the scanning beam in a second direction.
  • the scanning plane can be pivoted.
  • the use of two deflection units results in increased costs and a greater space requirement, thus a high optical and mechanical complexity, in addition to additional transmission and reception signal losses.
  • additional oscillating mirror according to DE 20 2009 012 114 U1 the 360 ° scanning range of a rotating mirror is divided. In a front angle range, a surface is scanned in a conventional manner.
  • the scanning beam is deflected several times and then falls on a vibrating mirror, which is pivoted in a direction transverse to the deflection of the rotating mirror.
  • a space cut is scanned over the rear angle range instead of a surface.
  • the rotating mirror can be tilted in addition to its rotation in another axis.
  • the entire scanning unit including transmitter, receiver and rotating mirror is arranged on a Ablenkkteller. By pivoting the Ablenktellers is then the Scanning plane varies, so as to monitor a total of a three-dimensional space area.
  • the mechanical design with the pivotable Ablenkteller and its connection for data exchange and communication is extremely complex.
  • Another laser scanner is provided with a rotatable and additionally tiltable deflection unit in order to scan a three-dimensional environment with a laser beam.
  • a variety of mechanisms for tilting the deflector are proposed. Again, the mechanisms for pivoting the scanning plane are quite expensive.
  • the object of the invention is to enable the extension of the monitoring range of an optoelectronic sensor by simple means.
  • the invention is based on the basic idea, in addition to the usual periodic movement of the first deflection unit to provide a further movement, which provides for an additional beam deflection.
  • An auxiliary drive, which generates the further movement, is thereby moved with the first deflecting unit moved by a main drive.
  • the two movements take place with respect to different axes, which include an angle, that is not parallel to each other.
  • the invention has the advantage that the overlaying of the movement of the deflection units results in a three-dimensional scanning pattern.
  • the co-moving auxiliary drive also allows embodiments with even extended monitoring range.
  • the sensor is preferably range-measuring.
  • the evaluation unit is designed for one of the light propagation times mentioned in the introduction. With the angular positions of the deflection units and the distance three-dimensional position data can be detected.
  • the deflection unit is preferably designed as a prism mirror, or the further deflection unit preferably has a prism.
  • the additional deflection thus takes place either in transmission or reflection. Both ensure that the scanning beam is moved on a cone sheath.
  • a prism mirror it is important that the active mirror surface is tilted so that this tumbling motion of the scanning beam is produced on a conical surface.
  • the rest of the body of the prism mirror is optically not active and therefore does not necessarily have to be a prism. In principle, a sloping flat mirror is sufficient. But a prism provides a simple geometric shape with the necessary mechanical points of attack for the movement through the auxiliary drive.
  • the periodic movement of the first deflection unit and / or the movement of the further deflection unit is preferably a rotary movement.
  • the deflection units thus rotate about axes of rotation which are oblique to each other and thus include an angle deviating from a parallel position. Depending on the ratio of the rotational speeds creates a periodic three-dimensional scan path.
  • the second deflection unit can alternatively be set to a rotational movement to a certain angle or only be moved temporarily so as to select a particular scanning plane in each case.
  • the sensor preferably has a wireless supply unit for supplying the auxiliary drive.
  • the auxiliary drive is moved, so that the supply must overcome the relative movement. This is possible in principle via slip rings or the like, but a wireless supply unit, for example, according to the transformation principle avoids mechanical stress and is thus low in maintenance.
  • the sensor preferably has a base unit with the first drive and a scanning unit with the first deflection unit, the auxiliary drive and the further deflection unit, whereby also light transmitters and / or light receivers are accommodated in the scanning unit.
  • the main drive moves or rotates the scanning unit as Measuring or optical head
  • the auxiliary drive is also part of the moving scanning and moves the other deflection relative to the scanning unit.
  • a wireless supply and data transmission is provided.
  • only one rotating mirror is provided as the first deflection unit, which, however, is moved in two axes by the auxiliary drive which is moved along with the rotating mirror.
  • the scanning unit preferably has a plurality of light receivers and / or light transmitters. Again, preferably, a plurality of light transmitter / light receiver pairs are formed. Depending on the number and desired scanning curves, the light receivers and light emitters can have an angular offset from one another, for example, they can be scanned 180 ° relative to one another at the same time forwards and backwards, and / or arranged one above the other.
  • auxiliary drives and further deflection units are provided, each associated with light receivers and / or light transmitters.
  • light transmitter / receiver pairs are each assigned their own rotating prisms. Their movement can be synchronized, but it does not have to be synchronized. The result is the corresponding three-dimensional scanning curves. It is also conceivable to mix with light transmitter / light receiver pairs without an associated further deflection unit, which then perform a plane scan as conventionally. In principle, it is conceivable to associate the same further deflection unit with a plurality of light transmitters and light receivers, but this results in relatively confusing sampling curves.
  • a tube is provided, which surrounds a transmission light path of the emitted light beam. This suppresses optical crosstalk.
  • a collinear arrangement of the transmit and receive paths is preferably achieved by arranging the transmit lens in the receive lens.
  • the second deflection unit preferably has a tube section. This prevents optical crosstalk within the second deflection unit. Together with a tube around the transmitted light beam as a complete channel separation of transmit path and receive path is achieved.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a trained as a laser scanner sensor 10.
  • a light emitter 12 such as an LED or a laser diode, sends via a transmitting optics 14 a transmitted light beam or scanning beam 16, which after deflection of a trained in this embodiment as a prism mirror deflection unit 18 from the laser scanner 10th exits into a monitoring area 20. If an object is touched by the transmitted light beam 16, reflected or remitted light 22 returns to the laser scanner 10 and, after another deflection at the deflection unit 18, is focused by a receiving optical system 24 onto a light receiver 26.
  • the possible wavelength of the light used besides visible light, also includes the ultraviolet or infrared range.
  • a main drive 28 displaces a scanning unit 30 with the deflecting unit 18 into a periodic movement, in particular a rotational movement with respect to a rotation axis 34 predetermined by a shaft 32.
  • a scanning unit 30 there is an auxiliary drive 36 moving with the scanning unit 30, which deflects the deflecting unit 18 about one second axis 38 moves, in particular rotates, wherein the two axes 34, 38 extend obliquely to each other.
  • a plane would be scanned during rotation by the main drive 28 as in a conventional laser scanner.
  • the movement through the auxiliary drive 36 provides additional distraction in the height direction perpendicular to this plane, as indicated by a double arrow 40.
  • a three-dimensional scanning curve is produced whose shape depends on the prism angle of the deflection unit 18, the angle between the axes 34, 38 and the movement patterns of the main drive 28 and auxiliary drive 36.
  • the co-moving auxiliary drive 36 is preferably supplied via a wireless supply 42a-b from a supply 44 in the stationary part of the sensor 10 from.
  • This resting part that is, the sensor elements except the scanning unit 30, is also referred to as a base unit.
  • a co-moving supply port may be integrated into the main drive 28 on its shaft 32, which is preferably based on a wireless transmission and replaces the separate wireless supply 42a-b.
  • a control and evaluation unit 46 is connected to the light emitter 12 and the light receiver 26 to generate the transmitted light beam 16 and to evaluate a received signal generated from remitted light 22 in the light receiver 26. In this evaluation, it is determined whether an object has been detected and in particular its distance measured by a light transit time method.
  • the control and evaluation unit 46 also controls the main drive 28 and receives the angle signal of the encoder. If a data transmission to the scanning unit 18 is present, the auxiliary drive 36 can be controlled and its rotational position can be monitored. Thus, three-dimensional position data of the detected object points are available in the control and evaluation unit 46.
  • the sensor 10 is surrounded by a housing, not shown, which is completed in the region of the beam passage through a rotating windscreen.
  • the structure according to FIG. 1 is to be understood as an exemplary embodiment and allows numerous variations.
  • the collinear optical arrangement can also be achieved by a beam splitter, or instead of a transmitting lens 14 in the center of a receiving lens 24 adjacent double lenses are used.
  • An extension of the scanning range from one level to a three-dimensional scanning curve is achieved by the embodiment FIG. 1 by the rotating prism mirror as a deflection unit 18.
  • the optical effect is ultimately that the angle of incidence varies, so the reflective surface is hit depending on the rotational position at different angles of incidence.
  • the remaining shape of the deflection unit 18 is not important so it does not necessarily have to be prismatic.
  • a varying angle of incidence can also be achieved by rotating light emitter 12 or light receiver 26, respectively, about an axis which is inclined to the optical axes. Then the light beam also describes a conical shell as by the rotation by means of the auxiliary drive and thus ensures the height variation of the scanning.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a trained as a laser scanner sensor 10.
  • the same reference numerals designate the same or corresponding features.
  • light emitter 12a-b and light receiver 26a-b housed together with the associated transmitting optics 14a-b and receiving optics 24a-b in the scanning unit 30, so perform the rotation generated by the main drive 28 rotation.
  • the scanning unit 30 thus forms a rotating optical or measuring head.
  • a wireless transmission unit 42a-b supplies the elements of the scanning unit 30 and connects the control and evaluation unit 46 to the scanning unit 30 by means of wireless data exchange.
  • Such a scanning unit 30 has the advantage that it can relatively easily be accommodated in several measuring systems, as in the example of FIG. 2 two transceiver units 12a-b, 26a-b for measurement in a forward and reverse direction. Variations of this arrangement provide a different angular offset than the 180 ° shown, distribute additional transmit / receive units in the angular direction, about three transmitting / receiving units at an angular distance of 120 °, or in the height direction with two or more transceiver units above the other. However, it is also possible to provide only one transmitting / receiving unit 12a-b, 26a-b.
  • a further deflection unit is arranged upstream of the transmitting / receiving units 12a-b, 26a-b in the form of a prism 48a-b, which is moved in each case via an additional drive 36a-b and in particular is set in rotation.
  • the prisms 48a-b provide a height offset, and in conjunction with the rotational movement of the scanning unit 30 itself creates a three-dimensional scanning pattern.
  • a plurality of different three-dimensional scanning curves can also be detected simultaneously, depending on the movement pattern of the prisms 48a-b.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a trained as a laser scanner sensor 10.
  • light transmitter 12 and light receiver 26 are again outside the moving scanning unit 30 is arranged.
  • a channel separation according to FIG. 3 which will be explained immediately, but would also in one embodiment according to FIG. 2 with moving light transmitters 12a-b and light receivers 26a-b conceivable.
  • the transmission path range of the emitted scanning beam 16 is surrounded by a non-transmissive tube.
  • This tube has three components, but also individually cause a partial effect and therefore need not necessarily be provided at the same time.
  • a first tube region 50 shields the receiving lens 24 from the emitting region of the light transmitter 12 to the transmitting lens 14.
  • a second tube region 52 tubularly surrounds the transmission path to the first deflection unit 18 and on to the prism 48.
  • a third tube region 54 shields the exit region of the scanning beam 16 from the entry region of the remitted light 22 within the prism 48.
  • the separation of the tube 50, 52, 54 into three areas occurs because the scanning unit 30 moves through the main drive 18 relative to the transmitting lens 14 and the receiving lens 24 and the prism 48 through the auxiliary drive 36 relative to the scanning unit 30.

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Abstract

Es wird ein optoelektronischer Sensor (10), insbesondere Laserscanner, zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich (20) angegeben, der einen Lichtsender (12) zum Aussenden eines Lichtstrahls (16), einen Hauptantrieb (28), eine von dem Hauptantrieb (28) bewegte erste Ablenkeinheit (28) zur periodischen Ablenkung des Lichtstrahls (16), einen Zusatzantrieb (36) zum Bewegen der ersten Ablenkeinheit (18) oder einer weiteren Ablenkeinheit (48) zur zusätzlichen Ablenkung des Lichtstrahls (16), einen Lichtempfänger (36) zum Erzeugen eines Empfangssignals aus dem in dem Überwachungsbereich (20) remittierten oder reflektierten Lichtstrahl (22) sowie eine Auswertungseinheit (46) aufweist, welche für die Erfassung der Objekte anhand des Empfangssignals ausgebildet ist. Dabei ist der Zusatzantrieb (36) mit der ersten Ablenkeinheit (18) mitbewegt angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 10.
  • Scanner werden für vielfältige Überwachungs- und Vermessungsaufgaben verwendet. Dazu tastet ein Abtast- oder Scanstrahl einen Bereich ab und wertet das remittierte oder reflektierte Licht aus. Um auch Informationen über Objektabstände, Konturen oder Profile zu gewinnen, wird meist nicht nur die Anwesenheit von Objekten, sondern zugleich auch deren Entfernung bestimmt. Derartige entfernungsmessende Laserscanner arbeiten nach einem Lichtlaufzeitprinzip, bei dem die Laufzeit vom Scanner in die Szenerie und zurück gemessen wird und anhand der Lichtgeschwindigkeit Entfernungsdaten berechnet werden.
  • Zwei Arten des Lichtlaufzeitverfahrens sind weit verbreitet. Bei phasenbasierten Verfahren moduliert der Lichtsender den Scanstrahl, und es wird die Phase zwischen einer Referenz und dem empfangenen Scanstrahl ermittelt. Pulsbasierte Verfahren prägen dem Scanstrahl ein signifikantes Muster auf, beispielsweise einen schmalen Puls von nur wenigen Nanosekunden Dauer und bestimmen den Empfangszeitpunkt dieses Musters. In einer als Pulsmittelungsverfahren bezeichneten Verallgemeinerung werden mehrere Pulse oder eine Pulsfolge ausgesandt und die empfangenen Pulse statistisch ausgewertet.
  • Bekannte Laserscanner weisen einen Drehspiegel oder ein Polygonrad auf, um periodisch eine Überwachungsebene oder ein Segment einer zweidimensionalen Überwachungsebene abzutasten. Viele Anwendungen erfordern aber die Abtastung eines dreidimensionalen Raumbereichs und nicht lediglich einer Fläche. Ein herkömmlicher Ausweg besteht darin, für eine Relativbewegung zwischen Laserscanner und Objekt zu sorgen, wie beispielsweise in der DE 197 41 730 B4 . Dies erfordert erheblichen Aufwand, und zahlreiche Anwendungen eignen sich gar nicht für eine solche kontrollierte Relativbewegung.
  • Um eine Bewegung des Laserscanners gegenüber dem zu vermessenden Objekt zu vermeiden, werden Laserscanner zu einem 3D-Scanner weitergebildet. Ein Schritt in diese Richtung durch Mehrebenenabtastung kann erreicht werden, indem Rasterspiegelräder mit unterschiedlich geneigten Facetten als Ablenkeinheit verwendet werden. Dadurch entsteht ein Winkelversatz der jeweils zu einer Facette gehörigen Abtastebene. Zugleich wird aber der Scanwinkelbereich der jeweiligen Abtastebene auf den Winkelanteil der Facette von typischerweise weniger als 100° beschränkt. Außerdem werden die jeweiligen Abtastebenen verzerrt und unsymmetrisch. Die EP 1 286 178 A2 überwacht nach einem ganz ähnlichen Prinzip in einem vorderen Winkelbereich von nahezu 180° eine Hauptabtastebene und in einem rückwärtigen Winkelbereich über zwei um wenige Grad verkippten Spiegel zwei weitere Abtastebenen, die auf einen Winkelbereich von 40° beschränkt sind.
  • Als weiterer Lösungsansatz ist bekannt, eine zusätzliche Ablenkeinheit meist in Form eines Schwingspiegels zu verwenden, der für eine Ablenkung des Scanstrahls in einer zweiten Richtung sorgt. Dadurch kann die Abtastebene verschwenkt werden. Durch die Verwendung zweier Ablenkeinheiten entstehen aber erhöhte Kosten und ein größerer Bauraumbedarf, somit ein hoher optischer und mechanischer Aufwand, zudem mit zusätzlichen Sende- und Empfangssignalverlusten. In einer speziellen Lösung mit zusätzlichem Schwingspiegel gemäß DE 20 2009 012 114 U1 wird der 360°-Abtastbereich eines Drehspiegels aufgeteilt. In einem vorderen Winkelbereich wird in herkömmlicher Weise eine Fläche abgetastet. In einem hinteren Winkelbereich wird der Abtaststrahl mehrfach umgelenkt und fällt dann auf einen Schwingspiegel, der in einer Richtung quer zu der Ablenkrichtung des Drehspiegels verschwenkt wird. Somit wird über den hinteren Winkelbereich ein Raumausschnitt anstelle einer Fläche abgetastet.
  • Um mit einem einfachen Drehspiegel auszukommen und dennoch einen dreidimensionalen Raumbereich zu erfassen, kann der Drehspiegel zusätzlich zu seiner Rotation in einer weiteren Achse verkippt werden. In der DE 10 2008 032 216 A1 beispielsweise wird dazu die gesamte Scaneinheit samt Sender, Empfänger und Drehspiegel auf einem Ablenkteller angeordnet. Durch Verschwenken des Ablenktellers wird dann die Scanebene variiert, um so insgesamt einen dreidimensionalen Raumbereich zu überwachen. Die mechanische Konstruktion mit dem verschwenkbaren Ablenkteller sowie dessen Anbindung für Datenaustausch und Kommunikation ist aber ausgesprochen aufwändig.
  • Aus der EP 1 965 225 A2 ist ein weiterer Laserscanner mit einer drehbaren und zusätzlich verkippbaren Ablenkeinheit vorgesehen, um eine dreidimensionale Umgebung mit einem Laserstrahl abzutasten. Es wird in unterschiedlichen Ausführungsformen eine Vielzahl von Mechanismen zum Verkippen der Ablenkeinheit vorgeschlagen. Erneut sind die Mechanismen zum Schwenken der Abtastebene recht aufwändig.
  • In der WO2014/010107A1 wird ein rotierendes Prisma in den Lichtpfad zwischen Drehspiegel und Sende-/Empfangseinheit eingebracht. Dadurch wird der Abtaststrahl periodisch verschwenkt, und diese Bewegung überlagert sich mit der Abtastung durch den Drehspiegel zu einer dreidimensionalen Abtastkurve. Diese Lösung ist aber für viele Anwendungen nicht flexibel genug.
  • Vor diesem Hintergrund ist Aufgabe der Erfindung, die Erweiterung des Überwachungsbereichs eines optoelektronischen Sensors mit einfachen Mitteln zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich nach Anspruch 1 beziehungsweise 10 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, außer der üblichen periodischen Bewegung der ersten Ablenkeinheit eine weitere Bewegung vorzusehen, die für eine zusätzliche Strahlablenkung sorgt. Ein Zusatzantrieb, welcher die weitere Bewegung erzeugt, ist dabei mit der durch einen Hauptantrieb bewegten ersten Ablenkeinheit mitbewegt. Die beiden Bewegungen vollziehen sich bezüglich verschiedener Achsen, die einen Winkel einschließen, also nicht parallel zueinander sind.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, dass sich aus der Überlagerung der Bewegung der Ablenkeinheiten ein dreidimensionales Abtastmuster ergibt. Der mitbewegte Zusatzantrieb ermöglicht zudem Ausführungsformen mit nochmals erweitertem Überwachungsbereich.
  • Der Sensor ist vorzugsweise entfernungsmessend. Dazu ist die Auswertungseinheit für eines der einleitend genannten Lichtlaufzeiten ausgebildet. Mit den Winkelstellungen der Ablenkeinheiten und der Entfernung können dreidimensionale Positionsdaten erfasst werden.
  • Die Ablenkeinheit ist bevorzugt als Prismenspiegel ausgebildet, oder die weitere Ablenkeinheit weist bevorzugt ein Prisma auf. Die zusätzliche Ablenkung findet also wahlweise in Transmission oder Reflexion statt. Beides sorgt dafür, dass der Abtaststrahl jeweils auf einem Kegelmantel bewegt wird. Bei einem Prismenspiegel kommt es darauf an, dass die aktive Spiegelfläche verkippt ist, damit diese Taumelbewegung des Abtaststrahls auf einem Kegelmantel erzeugt wird. Der übrige Korpus des Prismenspiegels ist optisch nicht aktiv und muss deshalb auch nicht zwingend ein Prisma sein. Im Prinzip genügt ein schräg stehender Flachspiegel. Ein Prisma liefert aber eine einfache geometrische Form mit den notwendigen mechanischen Angriffspunkten für die Bewegung durch den Zusatzantrieb.
  • Die periodische Bewegung der ersten Ablenkeinheit und/oder die Bewegung der weiteren Ablenkeinheit ist bevorzugt eine Drehbewegung. Die Ablenkeinheiten rotieren also um Drehachsen, die schräg zueinander stehen und somit einen von einer Parallelstellung abweichenden Winkel einschließen. Abhängig von dem Verhältnis der Drehgeschwindigkeiten entsteht ein periodischer dreidimensionaler Abtastpfad. Alternativ ist denkbar, die erste Ablenkeinheit hin- und herzuschwenken. Die zweite Ablenkeinheit kann alternativ zu einer Drehbewegung auf einen bestimmten Winkel eingestellt beziehungsweise nur temporär bewegt werden, um so jeweils eine bestimmte Abtastebene auszuwählen.
  • Der Sensor weist bevorzugt eine drahtlose Versorgungseinheit zur Versorgung des Zusatzantriebs auf. Der Zusatzantrieb ist mitbewegt, so dass die Versorgung die Relativbewegung überwinden muss. Dies ist prinzipiell über Schleifringe oder dergleichen denkbar, aber eine drahtlose Versorgungseinheit etwa nach dem Transformationsprinzip vermeidet mechanische Belastung und ist damit wartungsarm.
  • Der Sensor weist bevorzugt eine Sockeleinheit mit dem ersten Antrieb und eine Abtasteinheit mit der ersten Ablenkeinheit, dem Zusatzantrieb und der weiteren Ablenkeinheit auf, wobei auch Lichtsender und/oder Lichtempfänger in der Abtasteinheit untergebracht sind. Damit bewegt oder rotiert der Hauptantrieb die Abtasteinheit als Mess- oder Optikkopf, und der Zusatzantrieb ist ebenfalls Teil der bewegten Abtasteinheit und bewegt die weitere Ablenkeinheit relativ zu der Abtasteinheit. Vorzugsweise ist dabei eine drahtlose Versorgung und Datenübertragung vorgesehen. Alternativ zu einer Abtasteinheit mit Lichtsender und/oder Lichtempfänger ist nur ein Drehspiegel als erste Ablenkeinheit vorgesehen, der allerdings durch den mit dem Drehspiegel mitbewegten Zusatzantrieb in zwei Achsen bewegt wird.
  • Die Abtasteinheit weist bevorzugt mehrere Lichtempfänger und/oder Lichtsender auf. Nochmals bevorzugt sind mehrere Lichtsender/Lichtempfänger-Paare gebildet. Die Lichtempfänger und Lichtsender können je nach Anzahl und gewünschten Abtastkurven zueinander einen Winkelversatz aufweisen, beispielsweise um 180° zueinander versetzt zugleich nach vorne und hinten abtasten, und/oder übereinander angeordnet werden.
  • Vorzugsweise sind mehrere Zusatzantriebe und weitere Ablenkeinheiten vorgesehen, die jeweils Lichtempfängern und/oder Lichtsendern zugeordnet sind. Insbesondere sind also Lichtsender-/Empfängerpaaren jeweils eigene rotierende Prismen zugeordnet. Deren Bewegung kann synchronisiert sein, muss es aber nicht. Es ergeben sich die entsprechenden dreidimensionalen Abtastkurven. Auch das Vermischen mit Lichtsender-/Lichtempfängerpaaren ohne zugeordnete weitere Ablenkeinheit ist denkbar, die dann wie herkömmlich eine Ebenenabtastung vornehmen. Prinzipiell ist denkbar, dieselbe weitere Ablenkeinheit mehreren Lichtsendern und Lichtempfängern zuzuordnen, aber das ergibt relativ unübersichtliche Abtastkurven.
  • Vorzugsweise ist ein Tubus vorgesehen, welcher einen Sendelichtpfad des ausgesandten Lichtstrahls umgibt. Dadurch wird optisches Übersprechen unterdrückt. Bevorzugt wird zudem eine kollineare Anordnung von Sende- und Empfangspfad erreicht, indem die Sendelinse in der Empfangslinse angeordnet wird.
  • Die zweite Ablenkeinheit weist vorzugsweise einen Tubusabschnitt auf. Dadurch wird ein optisches Übersprechen innerhalb der zweiten Ablenkeinheit verhindert. Zusammen mit einem Tubus um den Sendelichtstrahl wird so eine vollständige Kanaltrennung von Sendepfad und Empfangspfad erreicht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
    • Fig. 1
    eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Laserscanners mit einem in zwei Achsen rotierenden Prismenspiegel;
    Fig. 2
    eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Laserscanners mit mehreren Sende-/Empfangseinheiten und zugeordneten rotierenden Prismen; und
    Fig. 3
    eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Laserscanners mit rotierendem Prisma und Kanaltrennung durch einen Tubus um den Sendelichtpfad.
  • Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines als Laserscanner ausgebildeten Sensors 10. Ein Lichtsender 12, beispielsweise eine LED oder eine Laserdiode, sendet über eine Sendeoptik 14 einen Sendelichtstrahl oder Abtaststrahl 16 aus, der nach Ablenkung an einer in dieser Ausführungsform als Prismenspiegel ausgebildeten Ablenkeinheit 18 aus dem Laserscanner 10 in einen Überwachungsbereich 20 austritt. Wird von dem Sendelichtstrahl 16 ein Objekt angetastet, so kehrt reflektiertes oder remittiertes Licht 22 zu dem Laserscanner 10 zurück und wird nach erneuter Ablenkung an der Ablenkeinheit 18 von einer Empfangsoptik 24 auf einen Lichtempfänger 26 gebündelt. Die mögliche Wellenlänge des verwendeten Lichts umfasst außer sichtbarem Licht auch den ultravioletten oder infraroten Bereich.
  • Ein Hauptantrieb 28 versetzt eine Abtasteinheit 30 mit der Ablenkeinheit 18 in eine periodische Bewegung, insbesondere eine Drehbewegung bezüglich einer durch eine Welle 32 vorgegebenen Drehachse 34. In der Abtasteinheit 30 befindet sich ein mit der Abtasteinheit 30 mitbewegter Zusatzantrieb 36, welcher die Ablenkeinheit 18 um eine zweite Achse 38 bewegt, insbesondere dreht, wobei die beiden Achsen 34, 38 schräg zueinander verlaufen.
  • In einer festen 45°-Stellung der Ablenkeinheit 18 würde während der Drehbewegung durch den Hauptantrieb 28 wie in einem herkömmlichen Laserscanner eine Ebene abgetastet. Die Bewegung durch den Zusatzantrieb 36 sorgt für eine zusätzliche Ablenkung in Höhenrichtung senkrecht zu dieser Ebene, wie durch einen Doppelpfeil 40 angedeutet. In der Überlagerung entsteht eine dreidimensionale Abtastkurve, deren Gestalt von dem Prismenwinkel der Ablenkeinheit 18, dem Winkel zwischen den Achsen 34, 38 und den Bewegungsmustern von Hauptantrieb 28 und Zusatzantrieb 36 abhängt.
  • Der mitbewegte Zusatzantrieb 36 wird vorzugsweise über eine drahtlose Versorgung 42a-b von einer Versorgung 44 im ruhenden Teil des Sensors 10 aus versorgt. Dieser ruhende Teil, also die Sensorelemente außer der Abtasteinheit 30, wird auch als Sockeleinheit bezeichnet. In den Hauptantrieb 28 kann alternativ ein mitbewegter Versorgungsanschluss an dessen Welle 32 integriert sein, der vorzugsweise auf einer drahtlosen Übertragung basiert und die separate drahtlose Versorgung 42a-b ersetzt.
  • Eine Steuer- und Auswertungseinheit 46 ist mit dem Lichtsender 12 und dem Lichtempfänger 26 verbunden, um den Sendelichtstrahl 16 zu erzeugen und ein aus remittiertem Licht 22 in dem Lichtempfänger 26 erzeugtes Empfangssignal auszuwerten. Bei dieser Auswertung wird festgestellt, ob ein Objekt erfasst wurde und insbesondere dessen Entfernung nach einem Lichtlaufzeitverfahren gemessen. Die Steuer- und Auswertungseinheit 46 steuert außerdem den Hauptantrieb 28 und erhält das Winkelsignal des Encoders. Sofern eine Datenübertragung zur Abtasteinheit 18 vorhanden ist, kann auch der Zusatzantrieb 36 angesteuert und dessen Drehstellung überwacht werden. Damit stehen in der Steuer- und Auswertungseinheit 46 dreidimensionale Positionsdaten der erfassten Objektpunkte zur Verfügung. Der Sensor 10 ist durch ein nicht dargestelltes Gehäuse umgeben, das im Bereich des Strahldurchtritts durch eine umlaufende Frontscheibe abgeschlossen wird.
  • Der Aufbau gemäß Figur 1 ist als Ausführungsbeispiel zu verstehen und lässt zahlreiche Variationen zu. Zunächst kann die kollineare optische Anordnung auch durch einen Strahlteiler erreicht werden, oder es werden anstelle einer Sendelinse 14 im Zentrum einer Empfangslinse 24 nebeneinander liegende Doppellinsen eingesetzt.
  • Eine Erweiterung des Abtastbereichs von einer Ebene auf eine dreidimensionale Abtastkurve erreicht die Ausführungsform nach Figur 1 durch den rotierenden Prismenspiegel als Ablenkungseinheit 18. Der optische Effekt ist letztlich, dass der Einfallswinkel variiert, also die spiegelnde Fläche je nach Drehstellung in unterschiedlichem Einfallswinkel getroffen wird. Auf die übrige Form der Ablenkeinheit 18 kommt es nicht an, so dass sie nicht zwangsläufig prismenförmig sein muss. Alternativ lässt sich ein variierender Einfallswinkel auch erreichen, indem Lichtsender 12 beziehungsweise Lichtempfänger 26 rotieren, und zwar um eine Achse, die zu den optischen Achsen schräg steht. Dann beschreibt der Lichtstrahl ebenso einen Kegelmantel wie durch die Rotation mittels des Zusatzantriebs und sorgt so für die Höhenvariation der Abstastung.
  • Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines als Laserscanner ausgebildeten Sensors 10. Dabei bezeichnen überall gleiche Bezugszeichen die gleichen oder einander entsprechende Merkmale. Im Unterschied zu Figur 1 sind hier Lichtsender 12a-b und Lichtempfänger 26a-b zusammen mit den zugehörigen Sendeoptiken 14a-b und Empfangsoptiken 24a-b in der Abtasteinheit 30 untergebracht, vollziehen also die durch den Hauptantrieb 28 erzeugte Drehbewegung mit. Die Abtasteinheit 30 bildet so einen rotierenden Optik- oder Messkopf. Eine drahtlose Übertragungseinheit 42a-b versorgt die Elemente der Abtasteinheit 30 und verbindet die Steuer- und Auswertungseinheit 46 mittels drahtlosem Datenaustausch mit der Abtasteinheit 30.
  • Eine solche Abtasteinheit 30 hat den Vorteil, dass darin relativ einfach mehrere Messsysteme untergebracht werden können, wie im Beispiel der Figur 2 zwei Sende-/Empfangseinheiten 12a-b, 26a-b zur Messung in eine Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Variationen dieser Anordnung sehen einen anderen Winkelversatz vor als die gezeigten 180°, verteilen zusätzliche Sende-/ Empfangseinheiten in Winkelrichtung, etwa drei Sende-/Empfangseinheiten im Winkelabstand von 120°, oder auch in Höhenrichtung mit zwei oder mehr Sende-/Empfangseinheiten übereinander. Es ist aber auch möglich, lediglich eine Sende-/Empfangseinheit 12a-b, 26a-b vorzusehen.
  • Den Sende-/Empfangseinheiten 12a-b, 26a-b ist jeweils eine weitere Ablenkeinheit hier in Form eines Prismas 48a-b vorgeordnet, das über jeweils einen Zusatzantrieb 36a-b bewegt und insbesondere in Rotation versetzt wird. Die Prismen 48a-b sorgen für einen Höhenversatz, und im Zusammenspiel mit der Drehbewegung der Abtasteinheit 30 selbst entsteht ein dreidimensionales Abtastmuster. Dabei können je nach Anzahl der Sende-/Empfangseinheiten 12a-b, 26a-b mehrere, je nach Bewegungsmuster der Prismen 48a-b auch unterschiedliche dreidimensionale Abtastkurven gleichzeitig erfasst werden. Es ist auch denkbar, nur vor einem Teil der Sende-/Empfangseinheiten 12a-b, 26a-b ein Prisma 48a-b vorzusehen, wobei die übrigen Sende-/Empfangseinheiten 12a-b, 26a-b dann wie herkömmlich eine Ebene abtasten. Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines als Laserscanner ausgebildeten Sensors 10. Hier sind Lichtsender 12 und Lichtempfänger 26 wieder außerhalb der bewegten Abtasteinheit 30 angeordnet. Eine Kanaltrennung gemäß Figur 3, die sogleich erläutert wird, wäre aber auch in einer Ausführungsform gemäß Figur 2 mit mitbewegten Lichtsendern 12a-b und Lichtempfängern 26a-b denkbar.
  • Um ein optisches Übersprechen zu verhindern, was auch als Kanaltrennung bezeichnet wird, ist der Sendepfadbereich des ausgesandten Abtaststrahls 16 von einem nicht lichtdurchlässigen Tubus umgeben. Dieser Tubus hat drei Komponenten, die aber auch einzeln schon einen Teileffekt bewirken und deshalb nicht zwingend zugleich vorgesehen sein müssen. Ein erster Tubusbereich 50 schirmt die Empfangslinse 24 von dem Abstrahlbereich des Lichtsenders 12 bis zur Sendelinse 14 ab. Ein zweiter Tubusbereich 52 umgibt rohrförmig den Sendepfad zu der ersten Ablenkeinheit 18 und weiter zu dem Prisma 48. Ein dritter Tubusbereich 54 schirmt innerhalb des Prismas 48 den Austrittsbereich des Abtaststrahls 16 von dem Eintrittsbereich des remittierten Lichts 22 ab. Die Trennung des Tubus' 50, 52, 54 in drei Bereiche erfolgt, weil sich die Abtasteinheit 30 durch den Hauptantrieb 18 relativ zu Sendelinse 14 und Empfangslinse 24 und das Prisma 48 durch den Zusatzantrieb 36 relativ zu der Abtasteinheit 30 bewegt.

Claims (10)

  1. Optoelektronischer Sensor (10), insbesondere Laserscanner, zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich (20), der einen Lichtsender (12) zum Aussenden eines Lichtstrahls (16), einen Hauptantrieb (28), eine von dem Hauptantrieb (28) bewegte erste Ablenkeinheit (18, 30) zur periodischen Ablenkung des Lichtstrahls (16), einen Zusatzantrieb (36) zum Bewegen der ersten Ablenkeinheit (18) oder einer weiteren Ablenkeinheit (48) zur zusätzlichen Ablenkung des Lichtstrahls (16), einen Lichtempfänger (36) zum Erzeugen eines Empfangssignals aus dem in dem Überwachungsbereich (20) remittierten oder reflektierten Lichtstrahl (22) sowie eine Auswertungseinheit (46) aufweist, welche für die Erfassung der Objekte anhand des Empfangssignals ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Zusatzantrieb (36) mit der ersten Ablenkeinheit (18) mitbewegt angeordnet ist.
  2. Sensor (10) nach Anspruch 1,
    wobei die Ablenkeinheit (18) als Prismenspiegel ausgebildet ist oder die weitere Ablenkeinheit (48) ein Prisma aufweist.
  3. Sensor (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei die periodische Bewegung der ersten Ablenkeinheit (18, 30) und/oder die Bewegung der weiteren Ablenkeinheit (48) eine Drehbewegung ist.
  4. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    der eine drahtlose Versorgungseinheit (42a-b) zur Versorgung des Zusatzantriebs (36) aufweist.
  5. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    der eine Sockeleinheit mit dem ersten Antrieb (28) und eine Abtasteinheit (30) mit der ersten Ablenkeinheit (18), dem Zusatzantrieb (36) und der weiteren Ablenkeinheit (48) aufweist, wobei auch Lichtsender (12) und/oder Lichtempfänger (26) in der Abtasteinheit (30) untergebracht sind.
  6. Sensor (10) nach Anspruch 5,
    wobei die Abtasteinheit (30) mehrere Lichtempfänger (26a-b) und/oder Lichtsender (12a-b) aufweist.
  7. Sensor (10) nach Anspruch 6,
    wobei mehrere Zusatzantriebe (36a-b) und weitere Ablenkeinheiten (48a-b) vorgesehen sind, die jeweils Lichtempfängern (26a-b) und/oder Lichtsendern (12a-b) zugeordnet sind.
  8. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei ein Tubus (50, 52, 53) vorgesehen ist, welcher einen Sendelichtpfad des ausgesandten Lichtstrahls(16) umgibt.
  9. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die zweite Ablenkeinheit (48) einen Tubusabschnitt (54) aufweist.
  10. Verfahren zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich (20), wobei ein Lichtstrahl (16) ausgesandt, an einer periodisch in zwei Achsen bewegten ersten Ablenkeinheit (18) oder an einer ersten Ablenkeinheit (18) und zusätzlich an einer bewegten weiteren Ablenkeinheit (48) abgelenkt wird, aus dem in dem Überwachungsbereich (20) remittierten oder reflektierten Lichtstrahl (22) ein Empfangssignal erzeugt und zum Erfassen der Objekte ausgewertet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Bewegung der ersten Abtasteinheit (36) in der zweiten Achse oder die Bewegung der weiteren Ablenkeinheit (36) von einem Zusatzantrieb (36) erzeugt wird, der mit der ersten Ablenkeinheit (18) mitbewegt wird.
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